Файл: Исследование мер противодействия атакам на сети 5g пояснительная записка тпжа. 100502. 008 Пз выпускная квалификационная работа.docx

аутентификацию пользователя со стороны сети;
аутентификацию сети со стороны пользователя;
согласование криптографических ключей между сетью и пользовательским терминалом;
шифрование и контроль целостности сигнального трафика на уровне RRC (между UE и gNb);
шифрование и контроль целостности сигнального трафика на уровне NAS (между UE и AMF);
шифрование и контроль целостности пользовательского трафика (между UE и gNb);
защиту идентификатора пользователя;
защиту интерфейсов между различными элементами сети в соответствии с концепцией сетевого домена безопасности, описанного в рекомендации 3GPP TS 33.310, в т.ч. защиту интерфейсов N2, N3 и Xn;
изоляцию различных слоев архитектуры Network slicing и определение для каждого слоя собственных уровней безопасности;
защиту сигнального и пользовательского трафика между eNb сети 4G-LTE и gNb сети 5G в рамках "Option 3" сценария миграции 4G к 5G, включая согласование криптографических ключей, шифрование и контроль целостности;
аутентификацию пользователя и защиту трафика на уровне конечных сервисов (IMS, V2X – Vehicle to Everything, IoT, и дугие).

На рисунке 1.3 изображены основные механизмы безопасности сети 5G [4].

Рисунок 1.3 – Основные механизмы безопасности сети 5G
Исходя из рисунка 1.3 можно выбелить следующие механизмы безопасности сети 5G.

256-битное шифрование

В ядре сети 5G и сети радиодоступа 5G должно поддерживаться использование алгоритмов шифрования и сохранения целостности с длиной ключа 128 бит для обеспечения безопасности AS и NAS. Сетевые же интерфейсы должны поддерживать 256-битные ключи шифрования [8].
Защита целостности пользовательской плоскости

Иерархия 5G отражает изменения в общей архитектуре и модели доверия с использованием принципа безопасности разделения ключей. Одним из основных отличий 5G от 4G является возможность защиты целостности плоскости пользователя [8].

Одним из новых аспектов в 5G является внедрение якоря безопасности в SEAF, который располагается совместно с AMF, по крайней мере, на фазе 1. SEAF будет создавать для первичной аутентификации единый якорный ключ K_SEAF (общий для всех доступов), который может использоваться UE и обслуживающей сетью для защиты последующей связи [35].

Возможно, что существует два якорных ключа для сценария, когда UE подключен к 3GPP доступу (посещаемая сеть) и к не-3GPP доступу (домашняя сеть). Для обычных сценариев роуминга SEAF находится в посещаемой сети.

AUSF завершает запросы от SEAF и далее взаимодействует с ARPF. В зависимости от окончательного согласованного разделения функциональности аутентификации, AUSF и ARPF могут быть расположены рядом (общий EAP сервер), но для EAP-AKA и EAP-AKA' будет определен SWx интерфейс [36].

ARPF расположен в UDM и хранит долгосрочные учетные данные безопасности, такие как ключ K в EPS AKA или EAP-AKA для аутентификации. Он может запускать криптографические алгоритмы, используя долгосрочные учетные данные безопасности в качестве входных данных, и может создавать векторы аутентификации.

Еще одним новым функциональным объектом является SCMF, который может быть располагаться вместе с SEAF в AMF и извлекает ключ из SEAF, который используется для получения дальнейших ключей, специфичных для сети доступа.

SPCF предоставляет политику безопасности сетевым субъектам (например, SMF, AMF) и/или UE в зависимости от уровня приложения, полученного от функции приложения (AF), и может быть автономным или расположенным совместно с PCF. Политика безопасности может включать информацию о выборе AUSF, алгоритме защиты конфиденциальности, алгоритме защиты целостности, длине ключа и жизненном цикле ключа.

Иерархия ключей для 5G все еще обсуждается в 3GPP SA3. На рисунке 1.4 представлена иерархия ключей и схемы их распределения текущих документированных предложений в TR 33.899 [37].

Рисунок 1.4 – Иерархия ключей и схемы их распределения

Обозначения [8]:

CK (англ. Cipher Key)
IK (англ. Integrity Key) — ключ, использующийся в механизмах защиты целостности данных.
CK' (англ. Cipher Key) — другой криптографический ключ, созданный из CK для механизма EAP-AKA.
IK' (англ. Integrity Key) — другой ключ, использующийся в механизмах защиты целостности данных для EAP-AKA.
K_AUSF — создается функцией ARPF и оборудованием пользователя из CK и IK во время 5G AKA и EAP-AKA.
K_SEAF — якорный ключ, получаемый функцией AUSF из ключа K_AMFAUSF.
K_AMF — ключ, получаемый функцией SEAF из ключа K_SEAF.
K_NASint, K_NASenc — ключи, получаемые функцией AMF из ключа K_AMF для защиты сигнального трафика NAS.
K_RRCint, K_RRCenc — ключи, получаемые функцией AMF из ключа K_AMF для защиты сигнального трафика RRC.
K_UPint, K_UPenc — ключи, получаемые функцией AMF из ключа K_AMF для защиты сигнального трафика AS.
NH — промежуточный ключ, получаемый функцией AMF из ключа K_AMF для обеспечения безопасности данных при хэндоверах.
K_gNB — ключ, получаемый функцией AMF из ключа K_AMF для обеспечения безопасности механизмов мобильности.

Общей частью всех предложений является то, что новый якорный ключ безопасности ключ KSEAF используется для дальнейшего получения ключа сети доступа (AN) ключ KAN и ключи NAS KNAS. Некоторые предложения также содержат ключ для получения ключей сети доступа, не относящихся к сети доступа 3GPP а также разделение ключей NAS управления сеансами (SM) и ключей NAS управления мобильностью (MM) [35].

Согласно текущим соглашениям, существует только один субъект безопасности NAS завершающая организация, которой является AMF. Кроме того, на радиодоступа (gNB) только одно радиоуправление ресурсами (RRC) для управления всеми другими радиопередатчиками в плоскости пользователя (UP). Данные пользовательской плоскости на радионосителях могут быть защищены на на основе каждой сессии с ключом KUP, сессия может принадлежать одному и тому же или другому сетевому срезу. Все наборы ключей для NAS, RRC и UP состоят из ключа целостности и ключа ключ конфиденциальности для шифрования [35].
Защита конфиденциальности пользователей SUCI

SUCI (Subscription Concealed Identifier) – это скрытый идентификатор подписки. Он является сохраняющим конфиденциальность идентификатором, содержащим скрытый SUPI. UE генерирует SUCI, используя схему защиты на основе ECIES с открытым ключом домашней сети, который был безопасно предоставлен USIM во время регистрации USIM [9].

Уникальный идентификатор, известный как SUPI (Subscription Permanent Identifier), будет иметь два возможных значения [38]:

IMSI (International Mobile SubscriberIdentity) - формируется из кода страны, кода сети и MSIN, как и в предыдущих поколениях.
NAI (Network Access Identifier) - в основном используется в частных сетях.

Чтобы не передавать SUPI открытым текстом, в стандартах определен зашифрованный идентификатор. Этот новый идентификатор, SUCI (Subscription Concealed Identifier), будет генерироваться на основе ECIES (Elliptic Curve Integrated Encryption Scheme) с использованием открытого/закрытого ключа оператора сети [39]. Важно подчеркнуть, что зашифрованный идентификатор будет получен из MSIN, а MCC и MNC будут по-прежнему передаваться в сеть открытым текстом.

SUCI состоит из следующих параметров [38]:

SUPI Type – значение от 0 до 7, которое определяет тип хранимого SUPI. Он может иметь значение IMSI или NAI.
Идентификатор домашней сети – идентифицирует домашнюю сеть пользователя.
Индикатор маршрутизации – от 1 до 4 десятичных знаков, присваивается оператором для маршрутизации трафика аутентификации к соответствующему UDM.
Идентификатор схемы защиты
Null (нет защиты, поэтому SUPI передается открытым текстом), профиль A, профиль B или собственные файлы.
Открытый идентификатор домашней сети – состоит из открытого ключа оператора.
Выход схемы защиты – открытое зашифрованное значение MSIN.

Политика безопасности на уровне абонентов

Как говорилось выше в сетях 5-ого поколения, процедура аутентификации имеет две составляющие: первичную и вторичную аутентификацию [20].

Первичная аутентификация. Аутентификация устройства в сети в 5G основана на первичной аутентификации. Это похоже на то, что было реализовано в 4G, но с некоторыми отличиями. Механизм аутентификации имеет встроенный домашний контроль, позволяющий домашнему оператору узнать, аутентифицировано ли устройство в данной сети, и принять окончательный вызов аутентификации. На этапе 1 5G существует два обязательных варианта аутентификации: аутентификация и согласование ключей 5G (5G-AKA) и протокол расширенной аутентификации EAP-AKA. По желанию, в 5G также разрешены другие механизмы аутентификации на основе EAP. Кроме того, первичная аутентификация не зависит от технологии радиодоступа, поэтому она может работать с технологиями, отличными от 3GPP, такими как WLAN IEEE 802.11.
Вторичная аутентификация. Вторичная аутентификация в 5G предназначена для аутентификации в сетях передачи данных за пределами домена оператора мобильной связи. Для этой цели могут использоваться различные методы аутентификации на основе EAP и соответствующие учетные данные. Аналогичная услуга была возможна и в 4G, но теперь она интегрирована в архитектуру 5G.

Единая аутентификация

При использовании любого метода аутентификации сетевые функции UDM/ARPF должны сгенерировать вектор аутентификации (AV).

EAP-AKA: UDM/ARPF сначала генерирует вектор аутентификации с разделяющим битом AMF = 1, после чего генерирует CK' и IK' из CK, IK и SNN и составляет новый вектор аутентификации AV (RAND, AUTN, XRES*, CK', IK'), который отправляется в AUSF с указанием использовать его только для EAP-AKA.

5G AKA: UDM/ARPF получает ключ KAUSF из CK, IK и SNN, после чего генерирует 5G HE AV (5G Home Environment Authentication Vector). Вектор аутентификации 5G HE AV (RAND, AUTN, XRES, KAUSF) отправляется в AUSF с указанием использовать его только для 5G AKA.

После этого AUSF получается якорный ключ K_SEAF из ключа K_AUSF и отправляет в SEAF «Challenge» запрос в сообщении «Nausf_UEAuthentication_Authenticate Response», содержащем также RAND, AUTN и RES*. Далее осуществляется передача RAND и AUTN на пользовательское оборудование с помощью защищенного сигнального сообщения NAS. USIM пользователя высчитывает RES* из полученных RAND и AUTN и отправляет его в SEAF. SEAF ретранслирует это значение в AUSF для проверки.

AUSF сравнивает хранящийся в нем XRES* и полученный от пользователя RES*. В случае совпадения, AUSF и UDM в домашней сети оператора уведомляются об успешной аутентификации, а пользователь и SEAF независимо друг от друга генерируют ключ K_AMF из K_SEAF и SUPI для дальнейшей коммуникации [8].
Безопасность в роуминге

5G включает два типа прокси: прокси-сервер Security Edge Protection (SEPP) для безопасности роуминга в SBA и прокси-сервер связи службы (SCP) для непрямой связи.

На рисунке 1.5 изображена архитектура системного роуминга 5G представлением интерфейса на основе услуг (LBO) [15].

Рисунок 1.5 – Архитектура системного роуминга 5G с представлением интерфейса на основе услуг (LBO)
Local Breakout (LBO) позволяет оператору мобильной сети (MNO) разбивать интернет-сеансы на домашнюю сеть, чтобы предоставить входящим роумерам возможность заказывать данные, которые предоставляются непосредственно посещаемой сетью [19].

Выводы по первому разделу

Основные характеристики сети 5G:

максимальная скорость передачи данных до 20 Гбит/с по линии вниз и до 10 Гбит/с в обратном направлении;
практическая скорость на абонента до 100 Мбит/с;
максимальная спектральная эффективность на линии вниз: 30 бит/с/Гц, на линии вверх – 15 бит/с/Гц;
временная задержка на радиоинтерфейсе до 0,5 мс (для режима работы URLLC) и до 4 мс (для режима работы eMBB);
мобильность до 500 км/ч;
плотность подключений до 10⁶ устройств/км².